Speicher der Zukunft

Was ist eigentlich DNA-Storage?

19. Oktober 2021, 13:00 Uhr | Lukas Steiglechner | Kommentar(e)
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Wachsende Datenmassen setzen die Storage-Branche unter Druck. Denn Speichertechnologie muss die Kapazitäten decken und gleichzeitig finanziell erschwinglich sein. Forschungsansätze zielen deshalb auf ein Speichermedium ab, das Jahrtausende überdauern kann: DNA.

Das Marktforschungsunternehmen IDC prognostiziert, dass die Menge der jährlich erzeugten Daten bis 2025 auf bis zu 180 Zettabyte ansteigt. Eine Entwicklung, die vorhandene Speichertechnologien an ihre Grenzen bringen könnte. Forschung und Wirtschaft wollen dieser Herausforderung begegnen, indem sie von der Natur lernen: Sie wollen digitale Daten auf DNA speichern. DNA, also Desoxyribonukleinsäure, ist dafür verantwortlich, die genetische Informationen von Lebewesen über eine lange Zeit hinweg zu speichern.

Um dieses ambitionierte Vorhaben voranzutreiben, wurde im Oktober 2020 die DNA Data Storage Alliance gegründet. Unter den Gründungsmitglieder befinden sich namhafte IT-Unternehmen wie Microsoft und Western Digital.

Da Technologie und Entwicklung noch am Anfang stehen, gibt es aktuell noch keine einheitlichen Methoden, Standards oder Tools für den geplanten DNA-Storage. Lediglich der geplante Prozess wurde bereits definiert: Codierung, Synthese, Storage, Abfrage, Sequenzierung, Decodierung.

Um digitale Daten in Form von DNA zu speichern, müssen sie zuerst codiert werden. Die Nullen und Einsen werden dabei in die vier  Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) umgeschrieben. So lässt sich beispielsweise der Wert 00 dem A zuordnen, 01 dem C, 10 dem G und 11 dem T. Der digitale Strang 0111011000 ergibt somit die Basensequenz ATCGA. Die Synthese wiederum steht für die chemische Herstellung der Basen. Die aktuell verfügbaren Methoden sind hier aber vor allem im Vergleich zu anderen Speichermedien noch deutlich langsamer.

Ist die DNA synthetisiert, muss sie  wiederum aufbewahrt werden. Dafür braucht es, neben Behältern und passender Umgebung, eine Automation, die die DNA-Sätze verwaltet, abfragt und für die folgende Sequenzierung vorbereitet. Bei dieser werden die DNA-Stränge gelesen. Sie ermittelt die Identität und die Reihenfolge der Basen, um so die Information auszuwerten. Dabei wird die Basenreihenfolge wieder in den binären digitalen Strang decodiert.

Gewaltige Speicherkapazität

DNA-Basen sind etwa so groß wie zehn Atome. Das entspricht einem Volumen von 1 nm³. 1 mm³ kann etwa neun Terabyte an DNA-Bits halten. Beispielsweise eine LTO-Kassette hat ein Volumen von 235 cm³. Wäre sie mit DNA-Bits gefüllt, entspräche das etwa zwei Exabyte an Daten. 115.000-mal mehr als ein LTO-9-Tape. Bei den für 2025 prognostizierten 180 Zettabyte würden also bereits 23,5 m³ an Volumen ausreichen, um die Daten in DNA zu speichern.

 


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